Индукционный нагреватель периодического действия ИНМ-75
Индукционный нагреватель периодического действия инм-75 и его модернизация. Описание установки. Для методического индукционного нагрева, используют индукционный нагреватель ИНМ-75, предназначенный для нагрева цилиндрических алюминиевых заготовок диаметром 240 мм. Общий вид индуктора представлен на рисунке. Показано размещение индукционного нагревателя в составе агрегата для прессования профиля. Схема включения индукционного нагревателя с трехфазную сеть показана на рисунке ниже. Для повышения мощности применено автотрансформаторное включение секций индуктора по схеме вольтодобавочного трансформатора (ВДТ).
Секции индуктора включены через вольтодобавочные трансформаторы марки ОСУ-100/0,5 в трехфазную сеть 380 В. Индуктор состоит из трех секций, расположенных встык соответственно «входная», «средняя» и «выходная» с полюсами магнитопровода между ними. Секции индуктора выполнены трехслойными из медной трубки 15´20,5´3 мм. Напряжение на выходе вольтодобавочных трансформаторов входной и средней секции индуктора по 440 В, на выходной секции 525 В. Автотрансформаторная схема включения секций индуктора выбрана в данном случае для увеличения напряжения на батарее конденсаторов с номинальным напряжением 660 В (КС2-0,66-2У3). Выходная секция настраивается на большее напряжение, чем входная и средняя секции для того, что максимальная мощность поступала в последнюю заготовку. Температура заготовки на выходе из индуктора контролируется по показаниям торцевой термопары.
В индукционном нагревателе методического действия одновременно находятся несколько заготовок. Их число определяется длиной нагреваемой в данный момент загрузки, соответственно длине и профилю прессуемых изделий. Общий вид индукционного нагревателя методического действия ИНМ-75 его размещение в составе агрегата для прессования профиля показано на рисунке ниже.
При пуске индукционного нагревателя методического действия, все заготовки, кроме последней, являются балластными и не могут подвергаться обработке давлением. При нагреве заготовки до заданной температуры столб загрузки перемещают, и более нагретые заготовки смещаются менее нагретыми на длину одной заготовки. Трехфазный индуктор имеет электрические выводы из каждого слоя каждой секции. Охлаждение обмотки осуществляется принудительной циркуляцией воды через водоотводящие шланги. Управление режимом нагрева осуществляется автоматически и контролируется с поста управления. Коммутация силовых цепей выполняется при помощи выключателей-регуляторов (ВР), собранных по схеме встречного параллельного соединения силовых тиристоров (Т1-Т2), (Т3-Т4), (Т5-Т6). Вольтодобавочные трансформаторы имеют сдвоенные обмотки, причем обмотки высокого напряжения (ВН) включены последовательно, обмотки низкого напряжения (НН) включены параллельно с целью увеличения диапазона регулирования напряжения. Переключение ступеней напряжения вольтодобавочных трансформаторов осуществляется при отключенном электропитании УИН.
Наблюдение за работой индукционного нагревателя при нагреве слитков длиной 750 мм показало, что примерно за 115 секунд нагрева температура в месте установки торцевой термопары поднимается с 405 °С до 500 °С. Время выгрузки и передвижения столба загрузки примерно 10 секунд. Заготовка находится в индукторе с момента окончания нагрева до момента выгрузки от 100 до 250 секунд, что определяется готовностью пресса к работе. Принципиальная схема индукционной установки показана на рисунке.
Величина тока в секциях трехфазного индуктора меняется незначительно. От начала до окончания основной стадии нагрева ток уменьшается не более чем на 5 %. Это связано с тем, что изменение температуры загрузки в пределах одной секции установки методического действия много меньше, чем в нагревателе периодического действия.
Численное исследование режимов нагрева цилиндрической загрузки в трехфазном индукционном нагревателе методического действия. Эксплуатация трехфазных индукционных нагревательных установок также может вызывать несимметрию токов и напряжений питающей сети, если имеет место неравномерное распределение активной мощности по фазам индуктора, обусловленное требованиями технологического процесса.
Для принципиальной схемы трехфазного индукционной установки показана схема магнитных связей в индукционном нагревателе, использованная для построения схемной модели для ЭВМ, представленной ниже. Известные конструктивные параметры индуктора, свойства материалов и временные диаграммы использованы при математическом моделировании процесса нагрева цилиндрических слитков длинной 750 и 1500 мм. Соответствующая трехфазному индуктору система уравнений по второму закону Кирхгофа представлена ниже. Система топологических уравнений (4.1), совместно с тремя уравнениями для узловых токов по первому закону Кирхгофа, позволяет определить все токи в схеме индукционного нагревателя при известных интегральных параметрах.
Схема магнитных связей в индукционном нагревателе трехфазной индукционной установки методического действия показана ниже.
где Rи Lи – собственные резистивные сопротивления и индуктивности секций УИН, Rи Lи (штрих) – собственные сопротивления и индуктивности резонансных отпаек секций, Мii – взаимные индуктивности внутри каждой секций УИН, Мij – взаимные индуктивности между секцией и отпайкой смежной фазы, Мij (штрих) – взаимные индуктивности секций УИН между фазами, U(AB,BC,CA) – комплексы напряжений питания индуктора с учетом вольтодобавки, согласно схеме индукционной установки.
Однако решать систему уравнений для индукционного нагревателя нецелесообразно, поскольку с учетом вольтодобавочных трансформаторов на разных ступенях напряжения и неидеального трехфазного источника схема силовой цепи УИН существенно усложняется. Поэтому в комбинированной математической модели применено схемотехническое моделирование. В моделях установлены управляемые источники, направление управляющих и управляемых ветвей которых, определяется с учетом уравнений (4.1) и схемы магнитных связей, представленной на рисунке. Таким образом, для трехфазного индуктора в текстовом файле хранится описание схемной макромодели (INDUCTOR.LIN) с управляемыми источниками. Аналогичные текстовые модули с соответствующими названиями содержат описания остальных моделей цепи.
При загрузке решающего модуля описания всех моделей считываются в определенной последовательности заданной в головном модуле информационно-логического блока и объединяются в единую задачу. Решение задачи выполняется итерационно, результаты решения сохраняются в табличной форме. В результате расчетов получают исчерпывающую информацию о температурных режимах объекта исследования. Кривые распределения температурного перепада по радиусу нагретой заготовки в установке показаны далее.
На рисунке ниже представлены графики распределения удельной поверхностной мощности по длине загрузки (анализ нагрева с наличием магнитопровода индукторе), полученные в результате анализа электромагнитного поля. Наличие магнитопровода практически полностью уменьшает влияние соседних секций друг на друга, но при этом величина удельной поверхностной мощности в местах стыков снижается до нуля, что приводит к увеличению неравномерности теплового поля по длине загрузки.
На рисунке справа можно видеть распределение температуры загрузки на поверхности и оси столба загрузки, а также на линии установки торцевой термопары в установившемся режиме в конце основного нагрева. Характеристики получены в результате анализа температурного поля. По графикам распределения теплового поля можно наблюдать существенно меньшее увеличение температуры загрузки на стыках секций разных фаз, чем по длине секций. Это объясняется ослаблением продольного магнитного поля в местах стыков секций разных фаз. Для индукционных нагревателей методического действия вопрос равномерности теплового поля по длине загрузки особенно актуален в тех случаях, когда длину загрузки меняют в широких пределах в зависимости от формы и длины производимого в данный момент алюминиевого профиля с длинами загрузки от 300 до
По графику видно, что магнитопровод выравнивает мощность в загрузке. Вместе с тем, в отсутствии магнитопровода выделение мощности в загрузке существенно зависит от фазового сдвига токов в соседних секциях индукционного нагревателя. Следовательно, необходимо обеспечить возможно меньший фазовый сдвиг, чтобы увеличить тепловыделение в загрузке. По характеристике полезной мощности видно, что с уменьшением фазового сдвига токов возможно увеличить тепловую мощность в загрузке на 6 %. Однако уменьшению фазового сдвига токов до нуля препятствуют собственные и взаимные индуктивности секций индукционного нагревателя. Возможность уменьшения фазового сдвига токов соседних фаз целесообразно исследовать на ЭВМ. Для этого необходимо получить соответствующие характеристики изменения резистивных и реактивных сопротивлений секций в зависимости от фазового сдвига токов.
Кривые изменения сопротивлений индукционного нагревателя при разных фазовых сдвигах токов в соседних секциях показаны на рисунке. Характеристики получены в результате решения задачи анализа электромагнитного поля с применением комбинированной математической модели и соответствуют системе уравнений 4.1. С учетом кривых в программном модуле анализа режимов силовых цепей получена векторная диаграмма токов и напряжений установки. По диаграмме видно, что учет эффекта переноса мощности за счет введения индуктивных связей в схемных моделях, построенных для анализа режима на ЭВМ, приводит к искажению симметрии токов трехфазного индукционного нагревателя. Аналогичная диаграмма получается при учете изменения резистивного сопротивления и собственных индуктивностей в фазах индукционного нагревателя.
Использование массивов рассчитанных значений резистивного и реактивного сопротивлений индукционного нагревателя для уточнения параметров схемных моделей в локальном итерационном цикле позволяет получить режимные параметры индукционной установки для различных фазовых сдвигах токов в соседних секциях трехфазного индуктора.
Причем учет взаимных индуктивностей между секциями приводит к аналогичному искажению симметрии трехфазной системы токов, как и использование несимметричных значений сопротивлений по фазам индукционного нагревателя. Отмеченное явление отрицательно влияет на качество прессования изделий и надежность работы нагревателя, потому что слитки нередко плавятся непосредственно в муфеле индукционного нагревателя. Поэтому предприятием поставлена задача модернизации индукционного нагревателя, результатом которой должна стать разработка научно-технического решения, уменьшающего вредное влияние неравномерности распределения удельной поверхностной мощности по длине столба, независимо от длины заготовки.
Экспериментальные исследования индукционной установки методического действия. Экспериментальные исследования трехфазного индукционного нагревателя проведены на машинно-испытательной станции Красноярского металлургического завода. Наличие в индукторе отводов для охлаждающей воды позволило подключить приборы и экспериментально определить сопротивления каждого слоя в каждой секции. Расчет интегральных параметров индуктора выполнен по выражениям:
.jpg)
где: rk, xk – собственные резистивное и реактивное сопротивление каждой секции, Uk, Ik – действующие значения напряжения и тока, Рk – активная мощность в секции, Uj – напряжение, индуктируемое в смежной секции при заданном токе Ik в основной секции.
Измерения проведены в каждой фазе вольтметром, амперметром и ваттметром, как с загрузкой в индукторе, так и без загрузки, по схеме, представленной на рисунке. Результаты экспериментального исследования интегральных параметров представлены в таблицах, где e – погрешность. Измерения показали, что сопротивления разных слоев обмотки трехфазного индукционного нагревателя существенно отличаются между собой. Схема проведения натурного эксперимента и экспериментальные кривые распределения сопротивлений по слоям индукционного нагревателя
Отличия сопротивлений разных витков в одном слое не превышают 4 %, поэтому допущение постоянства сопротивления витков в слое вполне приемлемо. В таблицах показаны резистивные и реактивные сопротивления обмоток.
А твкже взаимные индуктивности обмоток
В целом, различие измеренных и расчетных значений сопротивлений и взаимных индуктивностей не превышает 5 %.
Разработка мероприятий по модернизации индукционного нагревателя ИНМ-75. Трехфазные установки индукционного нагрева мерных заготовок, изготавливают, как правило, из трех катушечных групп. При этом катушки расположенные встык соединяют в треугольник и подключают на линейное напряжение промышленной сети. Вследствие взаимного влияния соседних катушек индуктора на их стыке ослаблено электромагнитное поле. Поэтому в этой зоне на поверхности мерных заготовок образуется провал в распределении удельной мощности. Кроме того, для обеспечения равномерности выделяющейся в загрузке удельной мощности по их поверхности, катушки индуктора располагают вплотную друг к другу с возможно малым осевым зазором. Это увеличивает их взаимную индуктивность и приводит к неравномерной загрузке фаз сети (эффект переноса мощности между фазами).
Существуют способы уменьшения взаимного влияния соседних катушек индуктора. Оно снижается при уменьшении сдвига фаз между ними с j = 120° до j = 60° путем инвертирования фазы тока средней катушки на 180°. Но, несмотря на это удельная мощность в поверхности нагреваемых мерных заготовок остается неравномерной, а несимметрия токов и напряжений сохраняется. Для решения проблемы предложено изобретение, обеспечивающее равномерность нагрева загрузки по длине и снижение несимметрии в питающей сети за счет уменьшения сдвига фазы тока в соседних катушках. Ниже рассмотрена индукционная установка сквозного нагрева мерных заготовок с тремя, расположенными в стык и соединенными в треугольник катушками с инверсным включением средней катушки. Эскиз индукционного нагревателя для сквозного нагрева мерных заготовок со схемой подключения катушек к источнику трехфазного напряжения представлен на рисунке слева. Электрическая схема замещения УИН сквозного нагрева показана на рисунке справа.
Эскиз конструкции трехфазного индукционного нагревателя со схемой включения конденсаторов и его принципиальная схема. На каждую катушку установки предусмотрено по батарее конденсаторов. Одна из крайних катушек соединена с соответствующей батареей конденсаторов последовательно, другая крайняя катушка соединена с соответствующей батареей конденсаторов параллельно, а средняя катушка соединена с частью соответствующей ей БК последовательно и параллельно образовавшемуся последовательному контуру подключена другая часть этой БК.
Первоначальное значение емкости С4 батареи конденсаторов 4 выбирают из условия равенства ее емкостного сопротивления хС4 с индуктивным сопротивлением катушки 1 (x1).
Расчет режимов УИН выполнен на ЭВМ с применением программного комплекса теории цепей. Схемная модель УИН для анализа на ЭВМ представлена на рисунке ниже.
Элементы Ei в машинной модели выполняют роль датчиков комплексного тока. Управляемые источники EUk служат датчиками комплексных напряжений на участках цепи. В решающем модуле программного комплекса использован алгоритм узлового анализа (расширенные узловые уравнения) с применением редукции слабо заполненных матриц.
Емкость С5 части (5') БК5 выбирают в соответствии с выражением:
где r2 и x2 – активное и реактивное сопротивления катушки 2.
Полные сопротивления ветвей, содержащих катушки 1, 2, 3 индукционной установки сквозного нагрева мерных заготовок, различны. Поэтому для обеспечения симметрии нагрузки количество витков (w) и сечения индуктирующих проводов (S) катушек 1, 2, 3 выбраны в соответствии с условиями w1>w2>w3 и S1<S2<S3. Между катушками 1, 2, 3 и нагреваемой загрузкой 7 имеется футеровка 8.
При подключении к катушкам переменных линейных напряжений UAB, UBC, UCA соответственно, в элементах установки возникают переменные электрические токи. Комплексы линейных напряжений показаны на векторной диаграмме токов и напряжений (рисунок 4.10, б) и представляют собой симметричную трехфазную систему напряжений, с нулевой начальной фазой напряжения фазы А.
Вектор комплексного тока AB совпадает с вектором напряжения AB, так как реактивное сопротивление этой ветви равно нулю. Таким образом, ток в катушке 1 имеет фазу 30 град. Вектор тока CA также совпадает по фазе с напряжением CA, при этом ток CA катушки 3) отстает от напряжения CA на некоторый угол. Таким образом, фаза тока катушки 3. Вектор тока BC также совпадает по фазе с напряжением BC, ток катушки 2 отстает от напряжения BC на половинный угол. Кроме того, катушка 2 подключена к источнику инверсно, поэтому фаза тока катушки 2. Таким образом, сдвиг фаз между токами в соседних катушках установки меньше 60°. В ходе моделирования электромагнитных процессов в силовых цепях установившийся режим электрической схемы установки рассчитывается многократно при изменении температурного режима УИН в ходе нагрева после уточнения интегральных параметров индукторов методами теории поля. Количество витков катушек 1, 2, 3 подобрано таким, чтобы обеспечить симметрию линейных токов источника Ia = Ib = Ic и равномерность линейной токовой нагрузки по длине установки, при условии (w1 > w2 > w3). Схемная модель трехфазного индуктора (а) и его векторная диаграмма
В таблице можно видеть, что после модернизации индуктора описанным выше способом увеличен коэффициент полезного действия установки с 0,33 до 0,359. Учитывая, что максимальная мощность индуктора достигает 750 кВт, можно заключить, что подобное повышение КПД существенно.
На рисунке ниже приведено сравнение кривых перепада температуры по радиусу и длине заготовки и характеристик распределения температурного поля по длине нагретой заготовки при исходной схеме (1) и после модернизации индукционного нагревателя (2) в конце нагрева. Легко видеть, что почти во всем интервале длин нагреваемой загрузки значительно снижается перепад температуры, как по радиусу, так и по длине заготовки.
Следует отметить, что рассмотренная модернизация имеет и отрицательные последствия. Во-первых, значительно увеличился коэффициент несимметрии с 0,055 до 0,136, что больше допустимого значения (0,04). Во-вторых, напряжения на первой и второй секциях превышают 1000 вольт, что переводит установку в разряд высоковольтных и может рассматриваться как фактор снижения надежности. Указанные особенности привели к необходимости поиска путей дальнейшей модернизации для устранения отрицательных последствий. Одним из способов решения проблемы является выбор неодинаковой длины секций разных фаз индуктора, что позволяет перераспределить мощность и линейную токовую нагрузку.
Сравнение кривых перепада температуры по радиусу (а) и длине заготовки (б) и характеристик распределения температурного поля по длине нагретой заготовки (в) при исходной схеме (1) и после модернизации индукционного нагревателя (2) в конце нагрева.
Указанное решение может быть реализовано без затруднений, поскольку в предложенной конструкции отсутствует магнитопровод. Из таблицы видно, что применение такого решения (l1>l2>l3) приводит к уменьшению напряжения ниже 1000 В, уменьшает коэффициент несимметрии токов до 3,5%, при незначительном уменьшении КПД (на 0,3 %). Кроме того, увеличивается естественный коэффициент мощности несимметричной нагрузки с 0,294 до 0,328.
Предлагаемая конструкция УИН позволила уменьшить угол сдвига фаз в соседних секциях с 60 до 16 град. Это привело к уменьшению провала удельной поверхностной мощности и повышению качества нагрева загрузки, согласно сравнительным характеристикам. Кроме того, установка обеспечивает заданную мощность без использования вольтодобавочных трансформаторов, что повышает надежность в целом. Представленные результаты позволяют заключить, что численное моделирование установки методического действия подтвердило принятые решения по модернизации индукционного нагревателя.
Выводы
1. В статье представлены результаты численного и экспериментального исследования процесса нагрева цилиндрической алюминиевой загрузки в индукционном нагревателе методического действия ИНМ-75 перед прессованием. Основной особенностью нагревателя является расположение встык соседних секций индуктора, включаемых на линейные напряжения, при этом из-за наличия взаимной индуктивности наблюдается перераспределение мощности и уменьшение полезной мощности в загрузке на стыке секций.
2. Особое внимание уделено исследованию перераспределения мощности между обмотками разных фаз в силу наличия взаимной индуктивности между расположенными встык обмотками. Получены зависимости полезной мощности в загрузке и сопротивления обмоток разных фаз при наличии магнитопровода и в его отсутствие, от сдвига фаз токов в этих обмотках.
3. Получены зависимости перепада температуры по радиусу и длине заготовки в конце нагрева для загрузки от 300 до 1500 мм. Перепад температур в загрузке размером 1500 мм достигает 325°С, что значительно выше допустимого уровня.
4. Предложено новое устройство трехфазной установки индукционного нагрева (патент РФ № 2237385), позволяющее уменьшить перенос мощности между фазами за счет уменьшения сдвига фаз токов в соседних обмотках с 60 до 16 град. И обеспечить требуемое качество нагрева. В частности, перепад температуры по длине заготовки размером 1500 мм в конце нагрева сокращается с 325 до 125°С, по радиусу – с 36 до 24°С.
5. На основании численных экспериментов получены схемные и конструктивные решения по модернизации индукционного нагревателя методического действия ИНМ-75 в ООО «ЛПЗ СЕГАЛ» (г. Красноярск) с целью улучшения его энергетических показателей, повышения качества нагрева и производительности установки.
6. Достоверность результатов математического моделирования подтверждена удовлетворительным совпадением с данными натурных экспериментов, полученных на машиноиспытательной станции в электроцехе Красноярского металлургического завода и на действующем агрегате в ООО «ЛПЗ Сегал» (г. Красноярск). Сопоставление показало, что погрешность расчета не превышает 5 %.
7. За счет неравномерного распределения линейной токовой нагрузки по длине индукционного нагревателя достигнуто более равномерное распределение полезной мощности по фазам и коэффициент несимметрии токов установки уменьшен до 3,5 %.
8. В результате модернизации индукционного нагревателя методического действия улучшаются его энергетические характеристики и повышается коэффициент полезного действия установки на 2,6 %.
Евгений Бортник, Красноярск, Россия, 2012